Размещено на http://www.allbest.ru/

18

Естественные радиоактивные изотопы

Содержание

• Введение 3
• 1. Радиоактивных семейства 4
• 2. Уран (U) 13
• 3. Торий (Th) 15
• 4. Актиний (Ас) 15
• 5. Радий (Ra) 16
• 6. Радон (Rn) 17
• 7. Астат (At) 17
• 8. Полоний (Ро) 17
• 9. Свиней (Рв) 18
• 10. Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные семейства 19
• 11. Калий-40 20
• 12. Рубидий 20
• 13. Самарий 20
• 14. Лютеций 21
• 15. Рений 21
• Список литературы 22

Введение

Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них - тяжелые элементы с порядковыми номерами от 81 до 96. Природные радиоактивные элементы путем альфа- и бета-распада превращаются в другие радиоактивные изотопы. Эта цепь радиоактивных превращений называется радиоактивным рядом или семейством.

1. Радиоактивных семейства

Тяжелые естественные радиоизотопы образуют четыре радиоактивных семейства: урана - радия; тория; актиния; нептуния. Массовые числа членов урано-радиевогоряда всегда четные и подчиняются закону:

А = 4n + 2,

где n изменяется от 51 до 59. Для ториевого ряда массовые числа четные и определяются по формуле:

А = 4n,

где n изменяется от 52 до 58. Для актиниевого ряда массовые числа элементов всегда нечетные и могут быть определены по формуле:

А = 4n + 3,

где n изменяется от 51 до 58. Массовые числа элементов ряда нептуния нечетные и опредеяются по формуле:

А = 4n + 1,

где n изменяется от 52 до 60.

Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада (см. табл. 1), которые сопоставимы с временем жизни Земли и всей Солнечной системы (возраст Земли 4,5-5 млрд. лет).

Таблица 1 Родоначальники естественных радиоактивных семейств

Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.

Последовательность превращения ядер естественных радиоактивных семейств приведены на рис. 4, 5,6. На них квадратами обозначены альфа-излучатели, окружностями - бета-излучатели, окружностями с вписанными внутрь квадратами - ядра, распадающиеся обоими путями. Стрелки, направленные вниз, указывают на альфа-распад, влево - на бета-распад. Периоды полураспада и типы распада членов естественных радиоактивных рядов приведены в таблице 2.

Таблица 2 Радиоактивные излучатели естественных рядов

Примечание к таблице: в колонке 8 жирным шрифтом даны энергии гамма-лучей, используемые в гамма-спектрометрах для определения содержания радия (урана) и тория.

Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем.

Родоначальники каждого семейства характеризуются большими периодами полураспада, находящимися в пределах 10⁸-10¹⁰ лет.

Каждое семейство имеет в середине цепи превращений изотоп элемента, относящийся к группе благородных газов (эманацию).

За радиоактивными газами следуют твердые короткоживущие элементы.

Все изотопы трех радиоактивных семейств распадаются двумя путями: альфа- и бета-распадами. Причем короткоживущие ядра семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распад, тем самым образуя разветвления рядов. Если при альфа и бета-распадах ядра не переходят сразу в нормальное состояние, то эти акты сопровождаются гамма-излучением.

Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца с массовыми числами 206, 208 и 207 соответственно для уранового, ториевого и актиниевого семейств.

Рис. 1. Ряд урана-радия.

Рис. 2. Ряд тория.

Рис. 3. Ряд актиния.

Семейства урана-радия и тория являются активными гамма-излучателями по сравнению с семейством актиния, мощность дозы гамма-излучения которого весьма невелика.

Таким образом, в радиоактивных семействах имеются альфа-бета- и гамма-излучатели, причем мощность дозы каждого излучения в разных семействах неодинакова. Общее число излучателей того или иного рода для разных семейств приведено в таблице 3.

Таблица 3 Количество излучателей естественных рядов

В ряду урана-238 19 радионуклидов и один стабильный изотоп - свинец-206. Наиболее важные альфа-излучатели этого семейства: уран-238, уран-234, торий-230, радий-226, радон-222, полоний-218, полоний-214 и полоний-210. Относительное количество других альфа-излучателей ряда невелико, поэтому они не представляют практического интереса.

К числу существенных бета-излучателей урано-радиевого ряда относятся: протактиний-234, свинец-214, висмут-214 и висмут-210. Причем, бета-излучение протактиния-234 составляет около 50% от бета-излучения всех изотопов семейства.

Основную долю (97,9%) в мощность гамма-излучения этого семейства вносят продукты распада радия-226 (свинец-214 и висмут-214) и радона-218 (полоний-214). Торий-234 и протактиний-234 -продукты распада родоначальника семейства (урана-238), дают около 2,1% общей мощности гамма-излучения. Вклад остальных членов ряда в суммарную интенсивность гамма-квантов ничтожно мал.

В ряду актиния 14 радиоизотопов и один стабильный изотоп -свинец-207. Поскольку в природном уране актиноурана (урана-235) очень мало, альфа-излучение актиниевого семейства составляет не более 5%, а гамма-излучение - около 1,25% от интенсивности соответствующих лучей урано-радиевого ряда.

Ряд тория содержит 12 радионуклидов и один стабильный изотоп свинец-208. Главными альфа-излучателями здесь являются: торий-232, торий-228, радий-224, радон-220. полоний-216, висмут-212 и полоний-212.

К основным бета-излучателям вториевом ряду относятся: акти-ний-228, свинец-212, висмут-212 и таллий-208.

Основной вклад в гамма-излучение ряда тория вносят продукты распада тория-228 (полоний-216, свинец-212, висмут-212 и таллий-208). Их доля - 60,2% всей интенсивности гамма-квантов. Остальная мощность гамма-излучения (39,8%) принадлежит продукту распада радия-228 (актинию-228). Доля остальных гамма-излучателей в общей мощности гамма-излучения ничтожна.

Ниже приведена краткая характеристика важнейших радиоизотопов, входящих в естественные семейства.

2. Уран (U)

Химический элемент с порядковым номером 92. Имеет три природных изотопа ²³⁸U, ²³⁵U и ²³⁴U. Период полураспада первого 4,5 х 10⁹лет, второго - 7,13 х 10⁸лет, третьего - 2,52 х 10⁵лет. Их относительную распространенность в рудах можно выразить так: 99,28%; 0,71%; 0,006% соответственно.

Этот серебристо-белый металл открыт Клапротом в 1789 году. По внешнему виду металлический уран напоминает железо. Он окисляется в воздухе до самовоспламенения и горит ярким пламенем. Плотность урана 19 г/см³, температура плавления 1133° С. Хорошо растворяется в минеральных кислотах.

Уран широко распространен в земной коре. Он содержится в горных породах, почве, воде озер, рек и морей.

Уран-238 является родоначальником уранового семейства. В первичных минералах он практически всегда находится в равновесии со своими короткоживущими продуктами распада, а также со своим долгоживущим изотопом - ураном-235.

Уран-235 (актиноуран) является родоначальником актиноуранового семейства, которое в природе всегда сопутствует семейству урана-238. Актиноуран открыт сравнительно недавно (в 1935 г.), т.е. значительно позднее продуктов его распада, чем и объясняется несоответствие названий актиниевого семейства и его родоначальника.

Ядро урана-235 обладает замечательным свойством. Кроме спонтанного распада он способен делиться при захвате нейтрона с освобождением колоссальной энергии, поэтому является одним из ядерных горючих.

Уран, химически выделенный из руд (естественно, что это смесь всех трех природных изотопов урана) и приготовленный в виде окиси (U₃O₈), является стабильным источником альфа-излучения. Примерно через год после его выделения устанавливается радиоактивное равновесие между ураном-238 и короткоживущими бета-активными продуктами его распада. Тогда этот препарат может служить в качестве стабильного источника бета-излучения. Уран связан с рудами осадочного, гидротермального и магматического происхождения. Он содержится более чем в 100 минералах. Среди них наиболее часты окислы урана, соли фосфорной, ванадиевой, кремниевой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важные промышленные руды урана представлены первичным минералом - уранинитом (урановой смолкой), представляющим собой окисел урана черного цвета. Кроме того есть множество вторичных минералов урана, которые называются урановыми слюдками. Наиболее распространенные из них: торбернит - Сu (UO₂)₂(PO₄)₂ nH₂O, отенит - Ca(UO₂)₂(PO₄)₂ nH₂O, карнотит - K₂(UO₂)₂(VO₄)₂3H₂O, тюямунит - Ca(UO₂)₂(VO₄)₂ 8H₂O. Из урановых слюдок крупные промышленные скопления образуют только карнотит и тюямунит. Они же являются рудой на ванадий и радий. Уран и радий в России впервые были получены из руды месторождения Тюя-Муюн в Фергане. Носителями этих металлов здесь оказались два минерала из группы урановых слюдок - тюямунит и ферганит. Первый минерал открыт К.А. Ненадкевичем в 1912 г, а второй - И.А. Антиповым в 1899 г.

3. Торий (Th)

Химический элемент с порядковым номером 90. Это светло-серый металл с плотностью 11,72 г/см³ и температурой плавления 1750° С, открытый Берцелиусом в 1828 г. Трудно поддается действию кислот. Он имеет 6 изотопов, из которых долгоживущие только два: торий-232 (Т= 1,39 х 10¹⁰ лет) и ионий-230 (Т = 8 х 10⁴ лет).

Скорость распада тория очень мала. За 14 миллиардов лет количество атомов тория-232 уменьшается только в 2 раза. Поскольку возраст Земли всего лишь 4,5 млрд. лет, то можно полагать, что значительное количество этого элемента сохранилось со времени аккреции нашей планеты.

Руды тория по своему генезису являются магматическими. При разрушении таких месторождений образуются россыпи, обогащенные минералами тория. Основным источником тория служат пески, содержащие минерал монацит - (Се, La, Nd, Th) PO₄. Особенно богаты монацитом морские россыпи. Промышленное значение имеет также минерал торит - Th SiO₄.

4. Актиний (Ас)

Химический элементе порядковым номером 89. Серебристо-белый металл с температурой плавления 1050° С, имеющий два изотопа: актиний-227 (Т = 21,8 года) и мезоторий-228 (Т = 6,13 часа).

Актиний, претерпевая альфа- и бета-распад, образует одно из разветвлений ряда актиния. В основном он является бета-излучателем. Ядерных гамма-лучей этот радионуклид не имеет. В смеси с бериллием актиний служит для приготовления источников нейтронов. Актиний встречается в рудах урана и тория.

5. Радий (Ra)

Химический элемент с порядковым номером 88. Это серебристо-белый блестящий металл с плотностью 6 г/см³ и температурой плавления 700° С, открытый в начале XX века супругами Кюри, имеет 4 изотопа: радий-226 (Т =1602 года), мезоторий-228 (Т = 6,7 года), актиний Х-223 (Т = 11,4 сут.) и торий Х-224 (Т = 3,64 сут.). По химическим свойствам радий близок к барию, изоморфно замещает последний в минералах: барите (сульфат бария) и витерите (карбонат бария). В природных водах радий встречается в виде хлорида.

В результате альфа-распада радия-226, сопровождаемого гамма-излучением, образуется радиоактивный газ -радон (эманация). В закрытом сосуде радон через 40 дней приходит в состояние радиоактивного равновесия с радием, находящимся в сосуде. После этого срока препарат можно использовать в качестве эталонного источника гамма-излучения.

Радон приходит в равновесие со своими короткоживущими продуктами распада (Ra A, Ra В, и Ra С) через 3 часа. Другой изотоп радия - мезоторий-1, обладает мягким бета-излучением, интенсивность гамма-излучения его невелика.

Изотопы радия широко распространены в горных породах и рудах, но в чрезвычайно малых концентрациях. На 3 тонны урана приходится 1 г равновесного радия. Поскольку в различных горных породах радий встречается в неодинаковых концентрациях, то это его свойство используется для диагностики петрографических разностей по гамма-лучам. Добывается радий из урановых руд. Он широко применяется в медицине для лучевой терапии.

6. Радон (Rn)

Радон (Rn) - химический элемент с порядковым номером 86. Это тяжелый инертный радиоактивный газ с плотностью 9,73 г/л. Он бесцветен и хорошо растворяется в воде. Имеет 4 изотопа: радон-222 (Т = 3,823 дня), радон-218 (Т = 1,9 х 10² с), торон-220 (Т = 54,5 с) и актинон-219 (Т = 3,92 с). Все они принадлежат к группе благородных газов, обладают альфа-активностью и других излучений не имеют. Радоновая эманация является источником активных осадков. Радон в смеси с бериллием используется в научных исследованиях и медицине как источник нейтронов.

7. Астат (At)

Астат (At) - химический элемент из группы галогенов с порядковым номером 85. В переводе с греческого «астат» означает «нестабильный», т.к. это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов. Все четыре изотопа астата радиоактивны: астат-210 (Т = 8,3 часа), ас-тат-218 (Т = 2 с), астат-215 (Т = 1 х 10⁴с) и астат-216 (Т = 3 х 10^-4 с).

В незначительных количествах астат входит во все три естественные радиоактивные семейства. Его изотопы альфа-активны. Небольшая часть астата претерпевает бета-распад.

8. Полоний (Ро)

Полоний (Ро). Химический элемент с порядковым номером 84. Это мягкий серебристо-белый металл с плотностью 9,3 г/см³ и температурой плавления 254° С. Полоний имеет 8 радиоактивных изотопов: поло-ний-209 (Т = 103 года), полоний-210 (Т = 140 суток), радий А-218 (Т = 3,05 мин), торий А-216 (Т = 0,158 с), актиний А-215 (Т = 1,83 х 10^-3 с), радий С¹-214 (Т = 1,55 х 10^-4 с), торий С¹ (Т = 3 х 10⁷ с), актиний С¹ (Т = 5 х 10³ с).

Полоний является чистым альфа-излучателем, что позволяет широко использовать его в лабораторных исследованиях. В смеси с бериллием он представляет собой лучший источник нейтронов.

9. Свиней (Рв)

радиоактивный распад уран радий полоний

Свиней (Рв). Химический элемент с порядковым номером 82. Представляет собой синевато-серый мягкий ковкий металл с плотностью 11,34 г/см³ и температурой плавления 327,4° С, химически стойкий. Свинец имеет 3 устойчивых изотопа: свинец-206 (радий G), свинец-207 (актиний D), свинец-208 (торий D), и 4 радиоактивных: сви-нец-210 (радий D, Т = 22 года), свинец-212 (торий В, Т = 10,6 часа), сви-нец-211 (актиний В, Т =36,1 мин), свинец-214 (радий В, Т = 26,8 мин).

Устойчивые изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208 являются конечными продуктами распада трех естественных радиоактивных рядов. Эти изотопы нерадиоактивны, но всегда присутствуют в радиоактивных рудах. Отношение количества нерадиоактивного свинца к содержанию радиоактивных элементов (урана, тория) в горных породах и рудах позволяет определить абсолютный возраст геологических образований. Остальные четыре изотопа свинца радиоактивны. Все они распадаются путем бета-излучения. Продукты распада радия D кроме бета-лучей выделяют альфа-лучи, поэтому из свинца-210 получают стандартные источники бета- и альфа-излучения.

Свинец применяют в качестве экранов и фильтров для гамма-излучения. Применение его для экранирования альфа- и бета-излучения нецелесообразно, поскольку в свинце всегда содержится некоторое количество радиоактивных изотопов, особенно радия D. В природе встречаются и другие радиоактивные изотопы свинца (с массовыми числами 200, 201 и 203), но количество их ничтожно.

Содержание свинца в земной коре значительно (1,6 х 10³%), концентрируется он, главным образом, в сульфидных минералах, имеющих гидротермальное происхождение.

10. Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные семейства

Кроме естественных радиоактивных элементов, являющихся членами трех рассмотренных выше естественных рядов, в природе имеются изотопы, генетически не связанные между собой, но обладающие радиоактивностью. Количество таких радиоизотопов превышает 200, период полураспада их колеблется от долей секунды до миллиардов лет.

Интерес для эколога представляют изотопы с большим периодом полураспада: калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютеций-176 и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов представляет собой изолированный акт, т.е. после распада образуется устойчивый дочерний изотоп. Как видно из табл.3, все перечисленные ядра подвержены бета-распаду, за исключением самария, который претерпевает альфа-распад.

Таблица 4 Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в семейства

11. Калий-40

Из шести приведенных естественных радионуклидов наибольший интерес представляет калий-40, ввиду его большой распространенности в земной коре. Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08%; 0,012%; 6,91%.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. На один акт распада калия-40 приходится в среднем 0,893 бета-частиц с энергией 1311 кэВ и 0,107 гамма-квантов с энергией 1461 кэВ. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

12. Рубидий

Природный рубидий состоит из двух изотопов: руби-дия-85 и рубидия-87. Радиоактивным является второй изотоп, который испускает мягкие бета-лучи с максимальной энергией 0,275 МэВ и гамма-лучи с энергией 0,394 МэВ.

13. Самарий

Из семи известных изотопов этого элемента только самарий-147 является радиоактивным. Его доля в природном самарии составляет около 15%. Он испускает альфа-лучи с энергией 2,11 МэВ, пробег которых в воздухе составляет 11,6 мм.

14. Лютеций

Известно несколько его изотопов, но радиоактивен только лютеций-176. Подобно калию, он распадается двумя путями: бета-распадом и к-захватом в соотношении 14 Максимальная энергия бета-лучей около 0,4 МэВ. Гамма-излучение обладает энергией 0,270 МэВ.

15. Рений

Радиоактивным является изотоп рений-187, доля которого в природном рении составляет 63%. Испускает бета-лучи с энергией 0,04 МэВ.

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89%). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11%).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и уг-лерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10⁹ атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Список литературы

1. Алексеенко P.M., Корнев Н.А. Сельскохозяйственная радиоэкология. М.: Энергоатомиздат, 1991. 396с.

2. Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек. М.: Энерго-атомиздат.1990. 159 с.

3. Старков В.Д., Мигунов В.И. Радиационная экология. Тюмень: ФГУ ИПП «Тюмень», 2003, 304 с.

Размещено на Allbest.ru